超声速燃烧数值模拟中的自适应化学动力学计算方法研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51776013
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
徐旭
依托单位：
北京航空航天大学
学科分类：
E0604.燃烧学
结题年份：
2021
批准年份：
2017
项目状态：
已结题
起止时间：
2018-01-01 至2021-12-31

项目参与者：
李家文；朱韶华；靳雨树；韩兆鹏；饶思航；
关键词：
化学动力学机理超声速燃烧冲压发动机火焰稳定器

项目摘要

Hydrocarbon fueled scramjet is one of the most promising propulsions for the aerospace vehicles in the future. The chemical kinetics models for the hydrocarbon however, are too complicated to be used in the engineering practices. In this application, a kind of adaptive multi-time scale(AMTS) method will be developed in order to apply detailed chemical kinetics models in the numerical simulation of hydrocarbon fueled scramjet flow fields. By using the multi-time scale analysis and the computational singular perturbation methods synthetically, the aim of this study is that the consumption of computational resources increase with the chemical species nearly linearly. The scramjet combustor, using struts, cavities and ramps as flameholders will be investigated experimentally, and the flame regimes of induction zone, premixed flame and turbulent diffusion flame will be measured. Corresponding numerical simulation works will be conducted, and the results should distinguish diffusion, premixed and partially premixed flame structures. The accordance of simulation results with the experimental ones should be acceptable. At the end of this study, the convictive judgement of the AMTS applicability in the numerical simulation of hydrocarbon fueled scramjet will be given, both in accuracy and in efficiency.

以碳氢燃料超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器是未来极具应用潜力的空天运载工具，而模拟碳氢燃料燃烧的化学动力学模型通常都非常复杂，难以在工程实践中应用。本申请书旨在发展一种能够直接使用详细反应机理的、计算效率高的自适应多时间尺度化学动力学计算方法(AMTS)，应用于碳氢燃料超声速燃烧的数值模拟。综合运用多时间尺度分析法（MTS）和计算奇异值摄动法（CSP），实现计算量消耗与组分数的增加接近线性的目标。开展支板、凹腔、斜坡等典型火焰稳定器构型的燃烧室试验，测量分辨感应区、预混火焰区和湍流扩散火焰区的结构。开展与试验工况相对应的燃烧流场数值模拟，准确预测扩散、预混及部分预混等不同的燃烧机制，取得与试验结果相一致的数值模拟结果，给出AMTS方法应用于碳氢燃料超声速燃烧计算精度和效率的可信结果。

结项摘要

本项目开展了超声速燃烧中的自适应化学动力学计算方法研究，用于提高燃烧模拟的计算效率，使得在超声速燃烧数值模拟中能够直接使用详细反应机理，进而达到提高超声速燃烧仿真的精度。综合运用多时间尺度分析法（MTS）、混合多时间尺度方法（HMTS）和GPU加速等手段，发展了一种计算效率高的自适应多时间尺度化学动力学计算方法（AMTS）。其中，开发的GPU加速化学反应计算的算法在反应规模大时，相比于传统的CPU算法具有很大的优势，加速比最大达到了80倍。而采用MTS和HMTS方法，可以获得比传统的显式算法快2~8倍。为了对方法的正确性和精度进行验证，在来流马赫数2.0，来流总温1200K-1700K条件下，分别开展了以氢气和乙烯为燃料，以支板和凹腔为火焰稳定器的超声速燃烧试验，实现了包括扩散燃烧、部分预混燃烧和预混燃烧在内的多种燃烧模式。试验结果表明，随着燃料当量比增加，燃烧模式由预混燃烧向扩散燃烧转换，能量特性更高的燃料（氢气对比乙烯）、燃料与来流相互作用更强的喷注方式（横向喷注对比后向喷注）会使得燃烧模式转换当量比阈值向更低的方向发展。而来流总温对燃烧模式转换的影响并不单一，一方面，高来流总温带来的更低的点火延迟时间使得贫燃熄灭当量比极限向更低的方向发展。另一方面，在1200K-1700K来流总温范围内，预混燃烧向扩散燃烧过渡的当量比阈值呈现先降低后升高的趋势，这与超声速燃烧中热释放效应与压缩性效应的耦合作用有关。最后，通过试验结果和仿真结果的对比，验证了自适应化学动力学计算方法的精度、效率和正确性。